緒論 第一節 新藥研發麵臨的挑戰 新藥研發是一個係統工程,其通常需曆經10~15年的研發曆程,其中包含瞭以基礎研究、應用基礎研究和臨床研究為主導的藥物發現、臨床前試驗、臨床試驗(Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期)等多個環節。大量迴顧性研究錶明,大約萬分之一的受試化閤物可通過篩選進入臨床前試驗成為藥物候選物,而兩個候選物中可能産生一個進入臨床試驗的在研藥物,在研藥物通過臨床試驗到最後成功上市的比例僅為10%~16%(Munos,2009)。從早期篩選算起,平均約20萬個受試化閤物中隻能篩選齣一個可能成功上市的産品,成功率僅為20萬分之一。當然,這個比例因藥物種類的不同也相差甚遠,如腫瘤藥各階段的成功率都相對較低(Paul et al.,2010),說明新藥研發不但失敗率高,而且具有極大的不確定性。雖然藥物已經成功上市,但是藥物不良反應已成為繼腫瘤、腦血管和心髒疾病之後導緻住院病人死亡的第四大死因(Lazarou et al.,1998)。而且,全球46%的藥物撤市緣於藥物的毒副作用(Lazarou et al.,1998)。由此可見,當前新藥研發麵臨著研發效率過低、投入和産齣比嚴重失衡及臨床不良反應和安全隱患高發等多重挑戰。上述現狀迫使國內外製藥企業不斷去探尋屬性更加優良的高品質藥物,這對新藥研發提齣瞭更高的要求。 藥物的有效性和安全性是新藥研發及應用領域中所麵臨的巨大挑戰,這種挑戰看似産生於應用領域,實質是源於基礎研究的不足。由於基礎研究的薄弱,這種缺陷被其輻射並放大到應用領域,也被放大到新藥研發和臨床應用的全過程。傳統上,藥效活性的篩選與優化一直是新藥研發的首要任務,但迴顧性分析卻錶明,20世紀90年代以前,導緻新藥研發失敗的原因約70%來自非藥效因素,其中40%是由於藥物在人體內代謝屬性差,另有近30%是由於藥物在人體內産生毒性而導緻研發失敗(Kola and Landis,2004)。此項研究促使國際製藥行業在新藥研發的發現階段將藥物吸收(absorption)、分布(distribution)、代謝(metabolism)和排泄(elimination/excretion)(簡稱ADME)屬性的篩選和修正,與藥效動力學、藥物靶點篩選同步進行(Caldwell et al.,2009),這樣一個完全嶄新的篩選理念,目前已經成為西方製藥巨頭進行新藥篩選的常規。在藥物發現階段就進行ADME 屬性篩選研究的過程被稱為“早期ADME 屬性研究”(Caldwell etal.,2009)。10 年後的統計錶明,早期ADME 屬性研究的引入使因藥代屬性不良導緻的新藥研發失敗率從高達40%降至10%左右(圖0-1)。縱觀整個新藥研發曆程,前期發現階段的資金投入最少,但篩除瞭最大量的“不閤格”化閤物;而後期臨床研究圍繞少量確定的研究對象,資金投入最高(Swinney and Anthony,2011)。因此,為降低研發風險,各大製藥公司都采取“早發現、早放棄或早發現、早優化”的策略。但即便如此,在對藥品質量和屬性要求更高的今天,全球新藥産齣在數量上仍沒有明顯突破,産齣率有很高的不確定性,新藥研發的投入與産齣比越來越失衡(Swinney and Anthony,2011)。 圖0-1 新藥研發失敗原因分析(修改自Kola and Landis,2004)(彩圖請掃書後二維碼)A. 1981~1991 年藥物臨床失敗原因分析;B. 1991~2000 年藥物臨床失敗原因分析 在新藥研發曆經的三個階段中,世界大多數國傢都將後兩個階段完全納入行政監控的指導下,研究藥物必須按照行政監控的要求,完成行政監管機構認可的“既定性”研究和評估內容;三個階段中,隻有發現階段是遊離於監控之外,允許開展“自選”或“非既定性”的研究。由於在整個新藥研發中後兩個階段是在明確監控下的研發,研發對象是不可更換的,因此後兩個階段針對研發對象的研究僅僅是評估,不存在對研發對象的修改和優化。顯然,所有的篩選、修正和優化等“試錯性”研究重任均由發現階段來承擔,發現階段不但研究內容可以變換,而且研究對象也可以變換(Lipinski et al.,2004)。因此,創藥水平的高低取決於各傢發現階段的試錯性內涵,即各傢“自選”性、試錯性內容的實質差異,如怎樣選擇模型和研發對象。與發現階段不同,後兩個階段由“既定性”研究的質量高低來決定,取決於監管機構對新藥研發的“認知”和“導嚮”水平。行政監管水平的高低當然會直接引導或影響新藥發現階段的水平。例如,美國FDA被公認為是全球新藥審評和監控水平最高的行政監管機構,歐美企業的創藥水平被認為是世界最高水平。與之相比,我國的創藥企業或機構基本沒有把發現階段設為創藥的第一必需階段,普遍缺乏篩選、優化、修正等“試錯性”研究和缺少研發對象的“研究內容”,這和我國選擇跟隨國際潮流,以仿製國外産品的“實用主義”戰略有關。最近10年,我國新藥研究投入雖然有明顯增長,但創製體係和研究水平還沒有實質性改變,仍有不小差距。例如,在創藥體製中,係統性地設置藥物發現階段,建立相應的技術平颱,這在我國還未能獲得“共識”;我國自主研發的新藥中,目前還沒有一個範例是通過上述“三階段”的聯閤協同研究來完成的。總體來說,我國不重視新藥創製體係的作用,更關注具體産品和技術。 新藥研發的發現階段是創藥體係中最重要的階段,根據不同的需要,將開展大量化閤物與多靶點之間或與不同模型中因素之間的對篩(Kool et al.,2010)。設置這個階段最重要的意義之一是防止“漏篩”,如齣現“嚴重漏篩”或“失效篩選”,進入後兩個階段的藥物候選物,其相應屬性上的缺陷就會被帶入後續開發階段,使得後續研發風險驟然增加(Sams-Dodd,2006)。在新藥研究中,主要目標是研發針對人體有效的藥物,顯然是應以人源性相關因素為目標(Lipinski and Hopkins,2004),應用的主要手段應是適閤效率和通量需求的體外高效篩選和快速評估技術。首先,由於倫理要求和資金投入的限製,新藥發現階段極少用到整體實驗體係,而多用體外體係。此外,整體模型雖含有多種因素和係統因素,較體外模型能滿足多因素甚至係統因素的需求,但係統中許多因素從未知變成已知,必須首先進行拆分和歸屬,多因素的整體模型顯然不利於決定因素的拆分和歸屬,篩選通量亦不足(Lipinski and Hopkins,2004)。因此,整體模型不適閤篩選。如果整體模型中所含因素清晰明確,這類整體模型更適閤驗證階段的“高內涵”評價(Boutros et al.,2015)。體外實驗模型通常涉及明確的單因素或設置的目標因素,可以利用多個體外模型,通過設置不同的目標因素,按照層次、難易程度和邏輯關係的不同,使一係列的體外模型滿足所設置的多因素研發目標的需求。另外,篩選中還要求研究和優化對象不是混閤物;不僅如此,就是在一個化閤物分子上,也要按照母體結構和衍生結構,將分子中的理化性質徹底“展開”,這樣就需要衍生齣大量的單體化閤物。篩選的實質就是將研究對象的這些性質與模型中的因素,包括單因素和體係因素一一對應起來,瞭解其因果關係(Lipinski and Hopkins,2004)。通常在藥物化學中,這種研究被稱為藥物的“結構與活性關係”(SAR)或“定量結構與活性關係”(QSAR)研究(Balaz,2009)。當然,因為多種原因,如可用模型有限、可用的化閤物多樣性不足、適宜的檢測技術方法缺乏等,體外篩選仍然難免齣現“漏篩”現象。如前所述,在整體實驗(主要齣現在動物實驗或臨床人體試驗)中,受整體模型使用的階段、通量和成本等限製,使得整體模型通常適用於評價功能的目的,不擔當因素發現和篩選功能。當含有篩選因素的體外模型不足或與評價體係的整體模型間齣現因素不一緻或不匹配時,藥物研發的潛在失敗率和風險性就會倍增(Sams-Dodd,2006)。因此,在發現階段盡可能揭示和篩選齣影響藥物屬性的決定因素,盡早優化和修正,並在整體動物實驗或臨床試驗中加以驗證,這是新藥研發最理想的模式。 顯然,新藥研發三大階段中某階段的缺失,或者三階段的銜接齣現裂痕(如實驗體係間的邏輯缺陷和關鍵因素上的不匹配),在研藥物的缺陷就會在臨床試驗或臨床應用階段充分地顯現齣來(Veniant and LeBel,2003)。實驗體係間的邏輯缺陷和關鍵因素上的不匹配是最常見問題,最典型的例子就是在臨床前評價階段中,動物實驗的引入已形成常規,但由於種屬差異的問題,動物整體的決定因素和人體決定因素往往並不匹配(Everitt,2014),常會導緻動物實驗與發現階段人源性ADME 評價發現的關鍵因素並不一緻,同時其與人體的關鍵因素也不一緻的現象(Pellegatti,2014)。更為嚴重的是,動物實驗評價過程中引進的動物體係因素往往在發現階段從未涉及過,更不是研發者主觀設定的,而這些因素改變瞭新藥研發的導嚮和目標。因此,在三大階段銜接的過程中,不同實驗體係中關鍵決定因素的對比性研究顯得尤為重要。 綜上所述,新藥研發三大階段的設置非常重要,三階段的研究內涵更重要。但在實際操作中,因研發理念、評價技術與實驗體係的選擇、屬性錶徵手段的不同,不同階段對三大錶觀屬性的評價和數據的銜接存在較大裂痕,新藥研發還麵臨以下瓶頸性問題及挑戰。 1)發現階段(可試錯階段)對係統因素的評價和研究不足。 2)動物源性因素或評價體係與人源性體係的匹配性。 3)體外單因素和體內係統因素間的相關性和因果關係。 4)高通量和高內涵評價間的兼容性。 5)有效性、安全性和藥代屬性間的同步性。 6)前期發現階段與後期開發階段的銜接。 7)前期“探索性”研究與行政監管下的標準化“既定性”研究間的匹配性。 第二節 藥物體內暴露及其決定因素 藥物有三大錶觀屬性:有效性、安全性和良好的藥代動力學屬性。通常人們不太關注藥代動力學屬性,比較關注有效性和安全性。事實上,有效性和安全性主要涉及藥物與靶點親和性的選擇程度(Sutherland et al.,2013;Hu and Bajorath,2013;Kaur and Salunke,2015)。藥代動力學研究旨在揭示藥物在體內的暴露規律和運行軌跡,藥代屬性就是指藥物被機體反作用後在體內發生的暴露及運行軌跡行為,與靶點親和性是不同類型的屬性(Swinney and Anthony,2011)。由於許多藥物的有效性和安全性不良可以因藥物體內暴露屬性及運行軌跡屬性的改變和不良所緻,而不良的藥物暴露屬性又由機體的反作用所産生(Park et al.,2001),如果人們不關注藥代屬性的變化及其機製,就不可能找到這類有效性和安全性不良的原因。換言之,靶點親和性或選擇性與藥物體內暴露屬性及運行軌跡屬性(也可簡稱為ADME屬性)共同決定瞭三大錶觀屬性:有效性、安全性和藥代動力學屬性。 在揭示藥物在體內的暴露規律和運行軌跡屬性時,必須首先明確運行軌跡的潛在驅動力和阻力因素。這些因素不僅僅存在於藥物自身,更來源於與藥物相互作用的機體。機體的解剖結構、生理和生化屬性決定瞭機體對藥物的反作用屬性,是藥物暴露規律及暴露部位的時空決定因素。藥物在體內暴露及運行的過程是一個藥物從局部、高密度、小體積的大劑量給藥到全身多組織、低密度小劑量的動力學擴散過程,該過程不僅有藥物“量”的變化過程,還有藥物“質”的變化過程,因此涉及藥物與機體內眾多生物物理和生物化學因素間的相互作用。 藥物在整體水平上錶現齣的錶觀藥代及效應行為取決於兩大類基礎因素:藥物自身屬性(drug-specific property,DSP)及生物係統特徵屬性(biological system-specific property,BSSP)(Danhof et al